Ступенчатая защита нулевой последовательности

Большое распространение в сетях с глухозаземленной нейтралью получила ступенчатая защита нулевой последовательности, токовая и направленная. Наиболее полноценной является трехступенчатая защита, состоящая из мгновенной отсечки, отсечки с выдержкой времени и максимальной защиты нулевой последовательности.

Схема и характеристика такой трехступенчатой направленной защиты показаны на рис. 7.14, а, б.

Первая ступень защиты выполняется мгновенной с помощью пускового токового реле Т₀₁. Вторая ступень отстраивается от мгновенной отсечки следующего участка и имеет t_II≈0,4÷0,6 с; она осуществляется посредством пускового токового реле Т₀₂ и реле времени В₂. Третья ступень предназначена для резервирования защиты следующего участка. Она выполняется с помощью токового реле Т₀₃ и реле времени В₃.

Для отстройки первой ступени защиты от разрядников предусмотрено промежуточное реле П₁ с t=0,03÷0,06 с. Реле мощности М₀ является общим для всех ступеней. В схеме имеется отключающее устройство ОУ для удобного вывода защиты из действия.

Рис. 7.14. Трехступенчатая направленная защита нулевой последовательности:

а – схема вторичной коммутации,

б – характеристика времени действия и согласование со смежной защитой В

Выбор уставок каждой ступени защиты производится в полном соответствии с рассмотренным выше расчетом уставок для мгновенной отсечки, отсечки с выдержкой времени и максимальной защиты нулевой последовательности.

Оценка и область применения защиты

Защита нулевой последовательности получила широкое распространение в сетях 110-500 кВ. Положительными качествами защиты являются простота схемы и высокая надежность, что подтверждается опытом эксплуатации.

Пусковой орган защиты нулевой последовательности имеет высокую чувствительность, поскольку его не нужно отстраивать от токов нагрузки.

В благоприятных условиях работает и орган направления мощности защиты. При наиболее тяжелых КЗ близи шин подстанций и электростанций реле мощности нулевой последовательности получает большое напряжение U₀ и поэтому работает в отличие от реле мощности, включаемых на фазный ток, очень надежно. Угол сдвига _р между U_р и I_р, подводимых к реле мощности нулевой последовательности, всегда близок к оптимальному, вследствие чего реле работает в условиях наибольшей чувствительности.

Благодаря наличию трансформаторов с заземленными нейтралями на каждой подстанции сети 110-500 кВ, являющихся источником тока нулевой последовательности, имеется широкая возможность применения отсечек нулевой последовательности, а вместе с тем и многоступенчатых защит нулевой последовательности практически на всех линиях средней и большой протяженности.

К недостаткам, свойственным принципу действия защиты, следует отнести то, что она реагирует на токи в неполнофазном режиме и может работать ложно при обрыве фазного провода во вторичной цепи трансформаторов тока.

7.2. Защита от замыкания на землю в сети с малым током замыкания Токи и напряжения при однофазном замыкании на землю

Сети c малым током замыкания на землю работают с изолированной нейтралью или с заземленной через дугогасящую катушку (ДГК).

В таких сетях (в отличие от сетей с глухозаземленной нейтралью) замыкание на землю одной фазы не вызывает КЗ и не сопровождается поэтому снижением междуфазных напряжений и появлением повышенных токов в сети.

Рассмотрим характер изменения токов и напряжений в сети и их векторные диаграммы при ОЗЗ (рис. 7.15), принимая для упрощения, что нагрузка сети отключена.

Рис. 7.15. Токи и напряжения при замыкании на землю одной фазы в сети

с изолированной нейтралью

В нормальных условиях напряжения проводов А, В и С по отношению к земле равны соответствующим фазным напряжениям U_A, U_B, U_C, которые в свою очередь равны ЭДС источника питания Е_А, Е_В, Е_С, поскольку нагрузка отключена. Векторы этих фазных напряжений образуют симметричную звезду (рис. 7.16, а), а их сумма равна нулю, в результате чего напряжение в нейтрали Н отсутствует: U_н=0.

Под действием фазных напряжений через емкости фаз относительно земли С_А, С_В и С_С проходят токи, опережающие соответствующие напряжения на 90°:

, , .

Сумма емкостных токов, проходящих по фазам в нормальном режиме, равна нулю, и поэтому I₀ отстутствует.

При металлическом замыкании на землю одной фазы, например А, ее напряжение относительно земли снижается до нуля (U_А=0), т.к. в результате соединения с землей т. К приобретает потенциал, равный нулю (потенциал земли).

Напряжение нейтрали U_н по отношению к земле становится равным напряжению между точками К и Н (рис. 7.15 и рис. 7.16, б), т.е. напряжению, равному по величине и обратному по знаку ЭДС заземлившейся фазы:

.

Напряжение неповрежденных фаз В и С относительно земли повышается до междуфазного.

На рис. 7.16, б представлена векторная диаграмма напряжений проводов и нейтрали сети по отношению к земле (U_A, U_B, U_C и U_н).

Рис. 7.16. Векторные диаграммы токов и напряжений в сети с изолированной нейтралью:

а – в нормальном режиме, б – при замыкании на землю фазы А

Поскольку U_A=0, то I_сА=0. В двух других фазах под действием напряжения U_В и U_С появляются токи, опережающие на 90° напряжения:

, .

Ток I_з в месте повреждения равен геометрической сумме токов в фазах В и С и противоположен им по фазе:

.

Таким образом, ток I_з равен утроенному значению нормального емкостного тока фазы. Ток I_з отстает от напряжения U_н на 90°.

Величина тока I_з зависит от величины напряжения сети и емкости фаз и может быть подсчитана по формуле:

,

где l – общая протяженность одной фазы сети; С_уд – емкость 1 км фазы относительно земли.

Значение емкостного тока линии и, соответственно, суммарного емкостного тока линий всей сети можно ориентировочно определить по эмпирическим формулам:

для кабельных сетей

для воздушных сетей

где: U_ном – номинальное напряжение сети (6 или 10 кВ), l_ – суммарная длина линий (км).

Для более точной оценки значения емкостного тока кабельной линии можно использовать таблицы, где приведены удельные значения емкостных токов в амперах на километр в зависимости от сечения кабеля и номинального напряжения сети.

Для воздушных сетей 6-35 кВ известна и другая аналогичная эмпирическая формула: I_C=2,7U_номl_10^-3.

Если в сети имеются крупные электродвигатели напряжением 6 или 10 кВ, то следует учитывать их собственные емкостные токи. Емкостной ток электродвигателя (при внешнем ОЗЗ) можно ориентировочно определить по эмпирической формуле:

при U_ном=6 кВ I_с.дв  0,017S_ном,

при U_ном = 10 кВ I_с.дв  0,03S_ном,

где:

Например, у двигателя мощностью P_ном=5 МВт напряжением 10 кВ собственный емкостной ток может иметь значение I_с.дв. = 0,17 А.

Более точно I_C можно определить экспериментально (что и требуется делать регулярно, т.к. протяженность сети изменяется в течение эксплуатационного периода).

Вследствие нарушения симметрии и баланса емкостных токов и фазных напряжений появляются составляющие нулевой последовательности:

;

.

В результате преобразований получаем:

.

Таким образом, U₀ равно и противоположно нормальному напряжению Е_А поврежденной фазы и равно напряжению в нейтрали сети U_н. Пренебрегая сопротивлением проводов, которое значительно меньше х_С, получаем, что во всех точках сети U₀=U_0к.

Токи I₀, возникающие под действием U_0к, замыкаются через емкость фаз и заземленные нулевые точки генераторов и трансформаторов, если такие заземления имеются.

Из распределения токов I₀ следует, что , где U_ф – нормальное напряжение поврежденной фазы.

Знак минус учитывает, что за положительные направления токов и напряжений принято направление от источника питания к месту повреждения. С учетом вышеприведенных формул ток замыкания .

Токи I₀ и I_з совпадают по фазе и отстают от вектора напряжения U_0к на 90°.

Ток I₀ в обмотках генератора отсутствует, поскольку нулевая точка генератора изолирована и сумма токов, проходящих в фазах генератора, равна нулю.